Инженерные программы: Трансфер технологий

Инженерные программы:
Собственные разработки

Инженерные программы:
Трансфер технологий

Измерительные приборы и
оборудование

ГлавнаяИнженерные программы: Трансфер технологийDEFORM

Новое в технологиях DEFORM


Модуль DEFORM DOE

Модуль DEFORM DOE - модуль планирования эксперимента - позволяет систематически исследовать технологический процесс путем варьирования одного или нескольких параметров, а так же проводить оптимизацию технологических процессов, находя такие технологические параметры, которые позволили бы минимизировать или максимизировать ту или иную целевую функцию.
После выбора пользователем технологических параметров процесса и задания интересующих его выходных параметров DEFORM в автоматическом режиме проводит необходимые расчеты.
Файл, с полученными данными визуализируется с помощью специального постпроцессора DEFORM DOE.
Подробное описание модуля DEFORM DOE - здесь.


Индукционный нагрев

Индукционный нагрев – один из распространенных технологических процессов нагрева металла. Его популярность объясняется высокой скоростью прогрева металла, энергоэффективностью и контролируемостью процесса. Индукционный нагрев может применяться как при необходимости нагрева всего объема заготовки для ее последующего деформирования, так и для нагрева части заготовки при локальном деформировании длинных прутков, а так же для поверхностной закалки заготовки.

Электромагнитная индукция генерирует тепло в заготовке, помещенной внутри или рядом с медной катушкой. В частности, прохождение переменного тока по катушке индуцирует вторичный ток в заготовке. Этот ток порождает электрический нагрев поверхности заготовки, что в свою очередь, в случае, если материал заготовки является магнитным, порождает реверсивное магнитное поле и эффект гистерезиса, что приводит к генерации значительного количества тепловой энергии.

Многие расчетные коды пытаются моделировать процесс индукционного нагрева металла. В данной заметке мы опишем функционал программного комплекса DEFORM, разработчики которого в последних релизах уделяют данной теме повышенное внимание.

Контролируемый нагрев

Индукционный нагрев может быть использован для локального нагрева небольшой области заготовки. Факторами, позволяющими осуществлять контроль над областью нагрева и глубиной нагрева, являются частота переменного тока в катушке, форма катушки и использование «концентраторов потока». Для поверхностной закалки используется быстрый нагрев поверхности с высокой энергией нагрева и последующее быстрое охлаждение, таким образом, что бы сердцевина заготовки не успела прогреться за счет теплопроводности.

Необходимость моделирования

В обоих случаях, когда необходимо прогреть все сечение заготовки или когда необходимо прогреть лишь её поверхностную область, температуру поверхности заготовки несложно измерить с помощью пирометра. При этом, в связи с тем, что процесс нагрева металла на поверхности заготовки и в её сердцевине идет по принципиально разным физическим процессам, важным для проверки и оптимизации технологического процесса является изучение температурных полей внутри заготовки. Осуществить экспериментальное измерение температуры внутри заготовки методами неразрушающего контроля очень трудно. Для оценки распределения температурных полей при индукционной поверхностной закалке используют закалку порезанных вдоль оси опытных образцов. Для оценки же распределения температурных полей при необходимости прогрева всего сечения заготовки подобных методов не существует.
Инженерам часто приходиться полагаться на опыт предыдущих поколений и какие-либо методические указания, при этом слабо представляя себе распределение температурных полей внутри заготовки.


Рис.1 Пример визуализации результатов моделирования индукционного нагрева в DEFORM

Модели индукционного нагрева, заложенные в DEFORM, учитывают многие тонкие моменты физических процессов электромагнетизма, в частности, влияние температуры на магнитные свойства материала, влияние формы магнитного поля на процессы, происходящие внутри заготовки, влияние эффекта уменьшения амплитуды электромагнитных волн по мере их проникновения вглубь заготовки и т.д. В сочетании с экспериментальными данными по температуре поверхности при индукционном нагреве DEFORM может стать мощным инструментом для проверки и оптимизации технологических процессов индукционного нагрева и индукционной закалки.

Нагрев крупных заготовок

При нагреве крупных заготовок методом индукционного нагрева затруднительным является получение равномерного по сечению распределения температуры. Поверхностные области заготовки нагреваются за счет электромагнитного поля, в то время как внутренние области – за счет теплопроводности. При нагреве крупных заготовок общепринятой практикой является ступенчатый нагрев, т.е. периодическое включение и выключение тока в обмотке с целью, во время пауз, дать возможность прогреться сердцевине заготовки. При этом, снова необходимо отметить, что экспериментально температура может быть измерена лишь на поверхности заготовки.

DEFORM был использован для исследования процесса нагрева конца заготовки из стали AISI 1045 (сталь 45) диаметром 150 мм и длиной 750 мм. Была использована обмотка в 10 витков. Максимальная электрическая мощность нагрева составляла 25 КВт, частота тока 1 кГц, использовался график изменения электрической мощности, представленный на рисунке 2.


Рис.2 График изменения электрической мощности в обмотке

Достоверность графика изменения температуры поверхности заготовки, полученного с помощью моделирования в DEFORM, может быть определена сравнением его с экспериментальными данными, полученными с помощью пирометра. При этом, путем отслеживания температуры в точке на оси заготовки и в точке на некотором расстоянии от оси в постпроцессоре DEFORM, может быть оценена неравномерность температуры по сечению заготовки (рисунок 3).

Сканирующая индукционная закалка

Индукционная закалка широко применяется для упрочнения поверхности детали при сохранении её сердцевины пластичной. Поверхностная область заготовки быстро нагревается выше температуры образования аустенитной структуры, с последующим быстрым охлаждением, как правило, с помощью спреера.



Рис.3 – Расчетное изменение температуры в заготовке при индукционном нагреве

Моделирование данного процесса в DEFORM осуществлялось для заготовки диаметром 23 мм из стали AISI 1045. Была использована обмотка в 2 витка. Электрическая мощность составляла 20 кВт, частота тока 20 кГц (рисунок 4). Заготовка двигалась вдоль оси обмотки со скоростью 10 мм/сек. Сразу после нагрева поверхности заготовки в обмотке, производилось её охлаждение струями воды, которое моделировалось в DEFORM окном граничных условий с определением в этом окне коэффициента конвективной теплоотдачи соответствующего паре сталь-вода.

В заключение

Индукционный нагрев – эффективный технологический процесс, в первую очередь, ввиду того, что лишь малая часть энергии, по сравнению с другими технологическими процессами нагрева, уходит на прогрев окружающей среды, а большая часть энергии идет собственно на разогрев материала заготовки. При этом для технолога бывает затруднительным прогнозирование температуры внутри заготовки при выбранных параметрах технологического процесса. Программный комплекс DEFORM предлагает мощный инструментарий для оценки распределения температурных полей внутри заготовки при индукционном нагреве. Следует отметить, что моделирование в осесимметричной постановке дает возможность быстрой оценки (от нескольких минут до часа) эффективности выбранных параметров технологического процесса, что является трудно осуществимым экспериментально.



Рис.4 – Температура заготовки (верхний рисунок) и распределение
мартенситной структуры (нижний рисунок) в процессе индукционной закалки


Моделирование нагрева в печи

Модель нагрева в печи - специализированный инструмент, позволяющий прогнозировать характер распределения тепла при нагреве одной или более заготовок за одну загрузку в печь.
Впервые этот инструмент появился в DEFORM v.11. Модель нагрева в печи интегрирована в модуль MultipleOperation, включает в себя возможность расположения заготовок в шахматном порядке, использование различных фиксаторов и т.д. Все это значительно упрощает определение исходных данных для моделирования нагрева в печи.

Традиционно,при моделировании процесса нагрева в печи, принято делать допущение о неизменности во времени температуры в печи, то есть, как правило, задается время выдержки заготовки при определенной постоянной температуре. Это допущение подразумевает, что наличие или отсутствие заготовок никак не влияет на температуру в печи. В реальности загрузка в печь холодной заготовки или нескольких заготовок может привезти к значительному падению температуры в печи. Новая модель нагрева учитывает влияние загрузки печи на ее температуру и энергопотребление.

Энергетические затраты – важный фактор в кузнечно-штамповочном производстве и термической обработке. Одним из путей снижения энергопотребления является оптимизация процесса нагрева заготовок под ковку и штамповку. Новая модель нагрева в печи может стать эффективным инструментом оптимизации схем загрузки заготовок в печь, графиков нагрева, что в конечном итоге позволит снизить энергопотребление при нагреве, а так же снизить вероятность возникновения дефектов, связанных с неравномерностью прогрева заготовок.

Изменение температуры печи, при загрузке в нее заготовок, сильно зависит от массы и количества этих заготовок. Очевидно, что большая масса холодного материала, загруженная в печь, приведет к значительному падению температуры печи, что отразится на времени нагрева материала до нужной температуры.

Новая модель нагрева в печи позволяет пользователю определять следующие параметры технологического процесса:

  • схема загрузки в печь
  • свойства печи
  • ПИД (Пропорционально-интегро-дифференцирующее) управление откликом печи
  • оценка принудительной конвекции
  • вычисление энергетического баланса
  • оценка энергии потребления при нагреве

Дружественный интерфейс модуля Multiple Operation позволяет определять размеры печи, особенности ее стенок, особенности работы ее системы охлаждения и рециркуляции. Имеется модель как газовой, так и электрической печи. Имеется возможность моделирования отклика печи на изменяющиеся параметры технологического процесса с помощью ПИД управления.

Определения необходимого энергопотребления печи происходит путем вычисления энергетического баланса технологического процесса. Загрузка в разогретую печь холодных заготовок ведет к переходу значительной части тепловой энергии печи в энергию нагрева заготовок, что, как уже было сказано выше, ведет к падению температуры печи. ПИД управление же позволяет минимизировать это падение и восстановить искомый график нагрева.

В DEFORM v.11 реализован комплексный подход к решению задач температурного анализа, основанный на методе конечных элементов. Учитывается теплопроводность, как самих заготовок, так и теплопроводность фиксаторов, а так же стенок печи. Может быть определена как печь со свободной, так и с принудительной конвекцией. В случае печи с принудительной конвекцией, модель автоматически оценивает коэффициенты конвективной теплоотдачи поверхностей, обдуваемых рециркуляционными вентиляторами. В силу того, что важную роль при нагреве в печи нескольких объектов играет процесс излучения, важным преимуществом данной модели является возможность учета влияния коэффициента черноты и эффектов затенения.

На рисунке показано распределение температуры заготовок в объёме печи. Значительное влияние на распределение температуры оказывают эффекты конвекции и излучения, зависящие от схемы загрузки заготовок в печь.

Примеры использования новой модели нагрева в печи


Первый пример: размещение в печи четырех цилиндрических заготовок

Первый вариант - заготовки расположены на довольно большом расстоянии друг от друга, второй вариант – заготовки расположены очень близко друг к другу. Большое расстояние между заготовками обеспечивает хорошую принудительную конвекцию и минимизирует влияние взаимного излучения заготовок. В этой связи первый вариант расположения заготовок обеспечиваетнагрев на 45 минут быстрее, нежели второй вариант, за счет того, что второй вариант приводит к затенению части поверхности заготовки заготовкой находящейся напротив. На рисунке ниже представлена картина распределения температуры при обоих вариантах расположения заготовок в середине цикла нагрева. Подобный анализ позволяет оптимизировать расположение заготовок в печи и минимизировать время нагрева.


Второй пример представляет собой продолжение первого: начало технологического процесса нагрева предполагает расположение четырех заготовок в печи на довольно большом расстоянии друг от друга, их нагрев в течение одного часа с последующим добавлением к ним еще двух заготовок комнатной температуры.
Эта последовательность приводит к тому, что две заготовки, расположенные в центре печи, нагреваются медленнее, нежели в первом примере, за счет падения температуры печи при загрузке двух дополнительных холодных заготовок и возникновению затенения.

На рисунке справа приведен график изменения температуры в печи при трех вариантах моделирования:
- Синей, пунктирной линией показана постоянная температура в печи при традиционной постановке задачи нагрева без учета особенностей работы печи;
- Красной линией показано изменение температуры печи при нагреве четырех заготовок с резким падением в начальный момент, вызванным загрузкой холодных заготовок в печь;
- Зеленой линией показан вариант нагрева четырех заготовок с последующим добавлением двух холодных заготовок. На графике видно два падения температуры: первое вызванное загрузкой первых четырех заготовок в печь, второе вызванное добавлением к имеющимся четырем двух дополнительных холодных заготовок.



Усовершенствование технологии построения сетки

Программный комплекс DEFORM часто используется при моделировании технологических процессов с большими пластическими деформациями. Моделирование подобных процессов сопровождается деградацией формы КЭ и необходимостью, в процессе расчета, перестроения сетки КЭ. При разработке версии DEFORM v.11.0 было приложено множество усилий для совершенствования алгоритмов построения и перестроения сетки КЭ.

Процедура 64-битного перестроения сетки КЭ

При необходимости перестроения сетки КЭ в DEFORM запускается специальная процедура, состоящая из нескольких отдельных операций, в частности: извлечение геометрической модели поверхности объекта из сетки КЭ, построение новой поверхностной сетки КЭ по извлеченной геометрической модели, построение новой объемной сетки КЭ внутри поверхностной сетки КЭ и интерполяция данных из предыдущей сетки КЭ. В предыдущих версиях DEFORM все вышеперечисленные операции проводились в 32-битном режиме. 32-битный режим имеет ограничение по использованию оперативной памяти компьютера (не более 4 ГБ), что влекло за собой ограничения построения очень объемных сеток КЭ. Переход к 64-битной системе построения сеток КЭ значительно увеличивает максимально возможное количество КЭ в задаче, ускоряет процесс построения объемных сеток КЭ и делает его более стабильным и легким для пользователя.

При тестировании новых технологий построения сетки КЭ скорость перестроения замерялась для моделей от 100 000 до 1 000 000 КЭ. На рис. 1 представлены результаты тестирования DEFORM v.10.2.1, использующего 32-битный режим перестроения сетки КЭ и DEFORM v.11.0.1, использующего новую 64-битную систему. Замеренное время включает в себя все стандартные операции автоматического перестроения сетки КЭ, т.е. извлечение геометрической модели поверхности объекта из сетки КЭ, построение новой поверхностной сетки КЭ по извлеченной геометрической модели, построение новой объемной сетки КЭ внутри поверхностной сетки КЭ и интерполяция данных из предыдущей сетки КЭ. Результаты показывают что, для небольших моделей (порядка 100 000 КЭ), процесс перестроения сетки КЭ на 12% быстрее при использовании новой 64-битной системы. При увеличении размера модели (до 700 000 КЭ) прирост производительности составляет 20%, на очень же больших моделях (порядка 1 000 000 КЭ) перестроение в 32-битном режиме оказалось невозможным, в то время как в 64-битном успешно завершилось менее чем за 500 секунд.

Рис. 1 - Время, необходимое на перестроение сетки КЭ в зависимости от количества КЭ в модели

Использование масштабного фактора кривизны поверхности при построении сетки КЭ в DEFORM

Часто при построении сетки КЭ в DEFORM используются масштабные факторы, в частности, по умолчанию, всегда включены факторы кривизны поверхности, максимальной накопленной деформации и скорости деформации. В DEFORM v.11.+ значительно усовершенствован алгоритм работы масштабного фактора кривизны поверхности для построения более плотной сетки КЭ в местах контакта заготовки с инструментом. Процесс чеканки, представленный на рис.2 - классический пример использования преимуществ нового алгоритма учета масштабного фактора при построении сетки КЭ. В начальный момент чеканочный инструмент соприкасается с плоской поверхностью заготовки. В предыдущих версиях DEFORM, на поверхности контакта между исходной заготовкой и инструментом строилась крупная сетка КЭ, т.к. алгоритм построения сетки КЭ не учитывал факта кривизны поверхности инструмента. Чтобы как-то учесть наличие кривизны поверхности инструмента приходилось строить специальное окно плотности сетки КЭ. В DEFORM v.11.+ кривизна поверхности инструмента учитывается, и в области контакта строится мелкая сетка КЭ, позволяющая более адекватно рассчитывать процесс течения металла в очаге деформации. Для активации этой функции в DEFORM v.11.+ функция учета кривизны инструмента включается размещением специального файла DIECUV.DAT в папке проекта.


Рис.2 - Модель отчеканенной монеты и сетка КЭ на модели заготовки под чеканку

Усовершенствования перестроения сетки КЭ при моделировании листовой штамповки

Часто программа DEFORM-3D используется для моделирования различных процессов листовой штамповки. Подобные процессы моделируются с помощью гексаэдральной сетки КЭ. Ранее, в версию DEFORM v.10.2 были внедрены первые алгоритмы перестроения гексаэдральной сетки КЭ. Версия DEFORM v.11.0 включила в себя дополнительные возможности по перестроению гексаэдральной сетки КЭ, которые позволяют учитывать масштабные факторы, а также изменять количество элементов по толщине листа. Данные функции включаются размещением файла SHEETM.DAT в папке проекта. На рис.3 представлена КЭ модель вытяжки до и после перестроения гексаэдральной сетки КЭ. Видно, что после перестроения сетка КЭ уплотнилась в наибольшей степени в месте максимальной накопленной деформации. Кроме того, новая сетка имеет четыре КЭ по толщине, вместо трех до перестроения.


Рис. 3 -КЭ модель вытяжки до и после перестроения гексаэдральной сетки КЭ


Новое в версии DEFORM 11

Версия DEFORM v.11 включает в себя большое количество новых функциональных возможностей. Это самый большой шаг вперед, сделанный компанией SFTC в рамках выпуска одного релиза комплекса DEFORM.

Главным нововведением версии DEFORM v.11 является полностью переработанный пользовательский интерфейс, ориентированный на работу в режиме многооперационной ковки/штамповки:

  • пошаговый интерфейс ввода исходных данных для широкого спектра технологических процессов
  • многие процессы интегрированы в основной препроцессор. Разработка отдельных шаблонов для моделирования ковки, обработки резанием и прокатки прекращается
  • разнородные процессы могут быть легко сведены в один расчет. Например, результаты моделирования операции ковки могут быть автоматически перенесены для моделирования операции нагрева в печи, с последующей операцией осадки
  • может задаваться многократный расчет с незначительными вариациями исходных данных:
    • моделирование с помощью метода планирования эксперимента (Design Of Experiments - DOE)
    • многопеременная оптимизация, включая оптимизацию двумерной и отчасти трехмерной геометрической модели
    • специализированный постпроцессор для анализа данных многократных расчетов с возможностью построения поверхностей отклика и графиков влияния переменных на ход технологического процесса
  • новый постпроцессор после окончания расчета, базируясь на настройках пользователя, автоматически генерирует отчет о моделировании в формате pdf или Power Point

Для поддержки всех вышеперечисленных нововведений была разработана новая структура данных в DEFORM, позволяющая проще варьировать исходными параметрами.

Компоновка системы DEOFRM теперь полностью поддерживает определение последовательности множества технологических операций.
Редактор операций (Operation editor) – центральная часть препроцессора. Каждое окно в редакторе операций соответствует какой-либо технологической операции, например, ковка, прокатка, штамповка, термическая обработка, обработка резанием и т.д. Линиями обозначаются взаимосвязи данных по операциям, в частности, переход заготовки с операции на операцию, инструмента и т.д.

Проводник (Explorer) представляет из себя библиотеку различных процессов таких, как штамповка в двумерной постановке, трехмерная прокатка и т.д., которые могут быть включены в данную операцию, определенную в редакторе операций.

Дерево процесса (Tree) должно быть знакомо пользователям DEFORM, работавшим ранее с шаблонами DEFORM F2/F3, но будет несколько новым для пользователей традиционного «открытого» интерфейса пре/постпроцессора DEFORM. Это хотя и достаточно гибкая, но все же пошаговая система. Дерево процесса содержит в себе, как данные отдельных объектов моделирования (геометрия, сетка, параметры движения, граничные условия), так и общие данные моделирования (параметры взаимодействия между объектами, размер шага расчета и т.д.). Навигация в дереве процесса осуществляется клавишами «Next» и «Back». Пользователь может также выбирать интересующее его место в дереве процесса непосредственно с помощью мыши.

Совместимость

DEFORM v.11 теперь включает в себя, как старый интерфейс DEFORM integrated 2D/3D, так и новый ориентированный на работу с многопереходными процессами (Multiple Operation или MO). Структура базы данных DEFORM и лежащих в ее основе компонентов (решатель и генератор сетки конечных элементов) в обоих интерфейсах DEFORM одинаковая. Система MO включает в себя дополнительную информацию, позволяющую запуск многократных расчетов DOE и оптимизации. Данная информация не будет считываться ранее разработанной системой DEFORM integrated 2D/3D.

Другие новые возможности

Помимо нового интерфейса DEFORM v.11 включает в себя еще ряд нововведений.

Значительно расширены возможности моделирования процессов, связанных с эволюцией микроструктуры. В частности, разработаны модели влияния пластичности кристаллов, мезомасштабных факторов микроструктуры, размера зерна и величины рекристаллизовавшейся структуры на характер течения металла при обработке давлением. Сами математические модели эволюции микроструктуры значительно улучшены.

Разработаны несколько новых решателей DEFORM, в частности, неявная схема интегрирования системы уравнений механики твердого тела, новые прямой и итерационный решатели для явной схемы интегрирования системы уравнений.

Эти возможности доступны только в MO-интерфейсе DEFORM.


Миграция

Миграция пользователей старых версий DEFORM на новую не будет сложной. Существует лишь несколько новых концепций, таких как многопереходное моделирования в интерфейсе MO. Процесс создания нового проекта в новой и старых версиях различен, однако принципы построения моделей не изменились.

Новый интерфейс MO будет стандартным для всех пользователей. Различия функционала по-прежнему будут зависеть от комплектации лицензии. Модуль DOE-оптимизации лицензируется отдельно.


© ТЕСИС>, сайты: www.tesis.com.ru; www.flowvision.ru; www.fv-tech.com; www.simulia.ru
Тел./факс: +7(495) 612-4422, 612-4262, info@tesis.com.ru, написать письмо, подписаться на новости
Политика конфиденциальности

Главный офис: 127083, Россия, Москва, ул. Юннатов, дом 18, 7-й этаж, оф.705, схема проезда
Представительство: 603093, Нижний Новгород, ул.Печерский съезд, д.18, офис 29